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SPI 接口配置

發(fā)布時(shí)間：2021-03-23瀏覽：1834

SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）是Motorola公司提出的一種同步串行數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，在很多器件中被廣泛應(yīng)用。

SPI相關(guān)縮寫

SS: Slave Select，選中從設(shè)備，片選。

CKPOL (Clock Polarity) = CPOL = POL = Polarity = （時(shí)鐘）極性

CKPHA (Clock Phase) = CPHA = PHA = Phase = （時(shí)鐘）相位

SCK = SCLK = SCL = SPI的時(shí)鐘（Serial Clock）

Edge = 邊沿，即時(shí)鐘電平變化的時(shí)刻，即上升沿(rising edge)或者下降沿(falling edge)。

對于一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，有兩個(gè)edge，分別稱為：

Leading edge = 前一個(gè)邊沿 = 第一個(gè)邊沿，對于開始電壓是1，那么就是1變成0的時(shí)候，對于開始電壓是0，那么就是0變成1的時(shí)候；

Trailing edge = 后一個(gè)邊沿 = 第二個(gè)邊沿，對于開始電壓是1，那么就是0變成1的時(shí)候（即在第一次1變成0之后，才可能有后面的0變成1），對于開始電壓是0，那么就是1變成0的時(shí)候；

接口

SPI接口經(jīng)常被稱為4線串行總線，以主/從方式工作，數(shù)據(jù)傳輸過程由主機(jī)初始化。

如圖1所示，其使用的4條信號線分別為：

1) SCLK：串行時(shí)鐘，用來同步數(shù)據(jù)傳輸，由主機(jī)輸出；

2) MOSI：主機(jī)輸出從機(jī)輸入（Master Output Slaver Input）數(shù)據(jù)線；

3) MISO：主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線；

4) SS：片選線，低電平有效，由主機(jī)輸出

在SPI總線上，某一時(shí)刻可以出現(xiàn)多個(gè)從機(jī)，但只能存在一個(gè)主機(jī)，主機(jī)通過片選線來確定要通信的從機(jī)。這就要求從機(jī)的MISO口具有三態(tài)特性，使得該口線在器件未被選通時(shí)表現(xiàn)為高阻抗。

SPI由于接口相對簡單（只需要4根線），用途算是比較廣泛，主要應(yīng)用在 EEPROM，F(xiàn)LASH，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。

即一個(gè)SPI的Master通過SPI與一個(gè)從設(shè)備，即上述的那些Flash，ADC等的Slaver SPI進(jìn)行通訊。而主從設(shè)備之間通過SPI進(jìn)行通訊，首先要保證兩者之間時(shí)鐘SCLK要一致，互相要商量好了，要匹配，否則，就沒法正常通訊了，即保證時(shí)序上的一致才可正常訊。而這里的SPI中的時(shí)鐘和相位，指的就是SCLk時(shí)鐘的特性，即保證主從設(shè)備兩者的時(shí)鐘的特性一致了，以保證兩者可以正常實(shí)現(xiàn)SPI通訊。

數(shù)據(jù)傳輸

在一個(gè)SPI時(shí)鐘周期內(nèi)，會完成如下操作：

1) 主機(jī)通過MOSI線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，從機(jī)通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)；

2) 從機(jī)通過MISO線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，主機(jī)通過該線讀取這1位數(shù)據(jù)。

這是通過移位來寄存器實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示，主機(jī)和從機(jī)各有一個(gè)移位寄存器，且二者連接成環(huán)。隨著時(shí)鐘脈沖，數(shù)據(jù)按照從高位到低位的方式依次移出主機(jī)寄存器和從機(jī)寄存器，并且依次移入從機(jī)寄存器和主機(jī)寄存器。當(dāng)寄存器中的內(nèi)容全部移出時(shí)，相當(dāng)于完成了兩個(gè)寄存器內(nèi)容的交換。

時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位

在SPI操作中，最重要的兩項(xiàng)設(shè)置就是時(shí)鐘極性（CPOL或UCCKPL）和時(shí)鐘相位（CPHA或UCCKPH）。時(shí)鐘極性設(shè)置時(shí)鐘空閑時(shí)的電平，時(shí)鐘相位設(shè)置讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘沿。

主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)是同時(shí)完成的，兩者的接收數(shù)據(jù)也是同時(shí)完成的。所以為了保證主從機(jī)正確通信，應(yīng)使得它們的SPI具有相同的時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位。

CPOL極性

先說什么是SCLK時(shí)鐘的空閑時(shí)刻，其就是當(dāng)SCLK在發(fā)送8個(gè)bit比特?cái)?shù)據(jù)之前和之后的狀態(tài)，與此對應(yīng)的，SCLK在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，就是正常的工作的時(shí)候，有效active的時(shí)刻了。

先說英文，其精簡解釋為：Clock Polarity = IDLE state of SCK。

再用中文詳解：

SPI的CPOL，表示當(dāng)SCLK空閑idle的時(shí)候，其電平的值是低電平0還是高電平1：

CPOL=0，時(shí)鐘空閑idle時(shí)候的電平是低電平，所以當(dāng)SCLK有效的時(shí)候，就是高電平，就是所謂的active-high；

CPOL=1，時(shí)鐘空閑idle時(shí)候的電平是高電平，所以當(dāng)SCLK有效的時(shí)候，就是低電平，就是所謂的active-low；

CPHA相位

首先說明一點(diǎn)，capture strobe = latch = read = sample，都是表示數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)有效的時(shí)刻。

相位，對應(yīng)著數(shù)據(jù)采樣是在第幾個(gè)邊沿（edge），是第一個(gè)邊沿還是第二個(gè)邊沿，0對應(yīng)著第一個(gè)邊沿，1對應(yīng)著第二個(gè)邊沿。

CPOL=0：

對于CPHA=0，idle時(shí)候的是低電平，第一個(gè)邊沿就是從低變到高，所以是上升沿；

對于CPHA=1，idle時(shí)候的是低電平，第二個(gè)邊沿就是從高變到低，所以是下降沿；

CPOL=1：

對于CPHA=0，idle時(shí)候的是高電平，第一個(gè)邊沿就是從高變到低，所以是下降沿；

對于CPHA=1，idle時(shí)候的是高電平，第二個(gè)邊沿就是從低變到高，所以是上升沿；

用圖文形式表示，更加容易看懂：

CKP和CKE

CKP和CKE是Microchip的PIC系列芯片中的說法。

（1）CKP是Clock Polarity Select，就是極性=CPOL：

CKP，雖然名字和CPOL不一樣，但是都是指時(shí)鐘極性的選擇，定義也一樣：

CKP: Clock Polarity Select bit

1 = Idle state for clock (CK) is a high level

0 = Idle state for clock (CK) is a low level

所以不多解釋。

（2）CKE是Clock Edge Select，就是相位=CPHA：

CKE: SPI Clock Edge Select bit

1 = Transmit occurs on transition from active to Idle clock state

0 = Transmit occurs on transition from Idle to active clock state

意思是：

1 =（數(shù)據(jù)）傳輸發(fā)生在時(shí)鐘從有效狀態(tài)轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)的那一時(shí)刻

0 =（數(shù)據(jù)）傳輸發(fā)生在時(shí)鐘從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)到有效狀態(tài)的那一時(shí)刻

其中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)刻，即上圖中標(biāo)出的“數(shù)據(jù)transmit傳輸?shù)臅r(shí)刻”。

CKE的定義也跟CPHA相同。

所以，CKP和CKE所對應(yīng)的取值的含義為：

When CKP = 0:

CKE=0 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle時(shí)候是低電平，從空閑到有效，就是從低電平到高電平，所以是上升沿）

CKE=1 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle時(shí)候是低電平，從有效到空閑，就是從高電平到低電平，所以是下降沿）

When CKP = 1:

CKE=0 => Data transmitted on falling edge of SCK（idle時(shí)候是高電平，從空閑到有效，就是從高電平到低電平，所以是下降沿）

CKE=1 => Data transmitted on rising edge of SCK（idle時(shí)候是高電平，從有效到空閑，就是從低電平到高電平，所以是上升沿）

舉例來說，分別選取MSP430控制器和OLED驅(qū)動(dòng)SH1101A為主從機(jī)，圖3和圖4為它們的SPI時(shí)序。由圖4可知，SH1101A的SPI時(shí)鐘空閑時(shí)為高電平，并且在后時(shí)鐘沿接收數(shù)據(jù)（后時(shí)鐘沿在數(shù)據(jù)的中間部位），則MSP430控制器SPI的設(shè)置應(yīng)與此保持一致。從圖3中可以看出，要使得時(shí)鐘在空閑時(shí)為高電平，應(yīng)將UCCKPL置1；要使得在后時(shí)鐘沿接收數(shù)據(jù)，應(yīng)將UCCKPH清零。

下面再列出其他一些地方找到的，常見的SPI的四種模式的時(shí)序圖，供參考：

如何看懂和記憶CPOL和CPHA

所以，關(guān)于在其他地方介紹的，看似多么復(fù)雜難懂難記憶的CPOL和CPHA，其實(shí)經(jīng)過上面解釋，就肯容易看懂了：

去看時(shí)序圖，如果時(shí)鐘SCLK的起始電平是0，那么CPOL=0，如果是1，那么CPOL=1。

然后看數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻，即時(shí)序圖數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)矩形區(qū)域的中間所對應(yīng)的位置，對應(yīng)到上面SCLK時(shí)鐘的位置，對應(yīng)著是第一個(gè)邊沿或是第二個(gè)邊沿，即CPHA是0或1。（對應(yīng)的是上升沿還是下降沿，要根據(jù)對應(yīng)的CPOL的值，才能確定）。

即：

（1）如何判斷CPOL：SCLK的空閑時(shí)候電壓是0還是1，決定了CPOL是0還是1；

（2）如何判斷CPHA：而數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻對應(yīng)著的SCLK的電平，是第一個(gè)邊沿還是第二個(gè)邊沿，對應(yīng)著CPHA為0還是1。

軟件中如何設(shè)置SPI的極性和相位

SPI分主設(shè)備和從設(shè)備，兩者通過SPI協(xié)議通訊。

設(shè)置SPI的模式，是從設(shè)備的模式，決定了主設(shè)備的模式。

所以要先去搞懂從設(shè)備的SPI是何種模式，然后再將主設(shè)備的SPI的模式，設(shè)置和從設(shè)備相同的模式，即可正常通訊。

對于從設(shè)備的SPI是什么模式，有兩種：

（1）固定的，設(shè)備硬件決定的。

SPI從設(shè)備，具體是什么模式，相關(guān)的datasheet中會有描述，需要自己去datasheet中找到相關(guān)的描述，即：

關(guān)于SPI從設(shè)備，在空閑的時(shí)候，是高電平還是低電平，即決定了CPOL是0還是1；

然后再找到關(guān)于設(shè)備是在上升沿還是下降沿去采樣數(shù)據(jù)，這樣就是，在定了CPOL的值的前提下，對應(yīng)著可以推算出CPHA是0還是1了。

舉例1：

CC2500 - Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver的datasheet中SPI的時(shí)序圖是：

從圖中可以看到，最開始的SCLK和結(jié)束時(shí)候的SCLK，即空閑時(shí)刻的SCLK，是低電平，推導(dǎo)出CPOL=0，然后可以看到數(shù)據(jù)采樣的時(shí)候，即數(shù)據(jù)最中間的那一點(diǎn)，對應(yīng)的是SCLK的第一個(gè)邊沿，所以CPHA=0（此時(shí)對應(yīng)的是上升沿）。

舉例2：

SSD1289 - 240 RGB x 320 TFT LCD Controller Driver的datasheet中提到：

“SDI is shifted into 8-bit shift register on everyrising edge of SCK in the order of data bit 7, data bit 6 …… data bit 0.”

意思是，數(shù)據(jù)是在上升沿采樣，所以可以斷定是CPOL=0，CPHA=0，或者CPOL=1，CPHA=1的模式，但是至于是哪種模式。

按理來說，接下來應(yīng)該再去確定SCLK空閑時(shí)候是高電平還是低電平，用以確定CPOL是0還是1，但是datasheet中沒有提到這點(diǎn)。

所以，此處，目前不太確定，是兩種模式都支持，還是需要額外找證據(jù)卻確定CPOL是0還是1.

（2）可配置的，由軟件自己設(shè)定

從設(shè)備也是一個(gè)SPI控制器，4種模式都支持，此時(shí)只要自己設(shè)置為某種模式即可。

然后知道了從設(shè)備的模式后，再去將SPI主設(shè)備的模式，設(shè)置為和從設(shè)備模式一樣，即可。

對于如何配置SPI的CPOL和CPHA的話，不多細(xì)說，多數(shù)都是直接去寫對應(yīng)的SPI控制器中對應(yīng)寄存器中的CPOL和CPHA那兩位，寫0或?qū)?即可。

舉例：

此處遇到的C8051F347中的SPI就是一個(gè)SPI的controller控制器，即支持軟件配置CPOL和CPHA的值，四種模式都支持，此處C8051F347作為SPI從設(shè)備，設(shè)置了CPOL=1，CPHA=0的模式，因此，此處對應(yīng)主芯片Blackfin F537中的SPI控制器，作為Master主設(shè)備，其SPI的模式也要設(shè)置為CPOL=1，CPHA=0。